鋰電池清潔度分析：從光鏡到電鏡（上）

為什么要做鋰電池清潔度分析？

金屬異物對鋰電池安全性的影響

鋰離子電池正極材料中金屬異物（包括鐵、鎳、銅、鋅、鉻等）的含量對鋰電池的性能有較大影響。金屬異物在電池化成階段會先在正極氧化再到負極還原，當負極處的金屬單質累積到一定程度會形成枝晶，導致隔膜穿孔，造成電池內部短路，提高電池的自放電率，嚴重時甚至會電池起火、爆炸，影響電池的安全性能。目前對金屬異物的管控水平已經成為衡量鋰離子電池正極材料生產線最核心的指標之一。

由于動力鋰電池的最終客戶為汽車公司（如大眾，寶馬，戴姆勒等），對于金屬異物的檢測標準也基本沿用燃油汽車清潔度標準（德國的汽車工業聯合會推出的 VDA19）的相關概念。VDA19 中對于異物的評估方法主要包括：稱重法，光鏡法、電鏡法、拉曼法等，其中光鏡法和電鏡法作為可視化的方法，得到了廣泛應用。

光學顯微鏡檢測的原理及結果

金屬表面的物理特性決定了光線不能進入金屬物質，它會像鏡子般把所有入射光全部反射出去。入射光在經由金屬表面反射后，其反射光與入射光具有相同的振動方向。如果反射光通過兩片平行的偏振片，金屬顆粒呈現亮色；如果反射光通過兩片垂直的偏振片，金屬顆粒呈現純黑色。

入射光在經過非金屬物質后，其振動方向會發生改變（主要原因是光可以射入非金屬物質內部），經過非金屬物質內部后再出來的反射光不再具有偏振性，其方向也會發生改變。反射光通過平行和垂直的偏振片時，其亮度變化不大。

通過記錄、對比顆粒在不同偏振光下的圖片，而后鑒別出金屬和非金屬顆粒。具體測試結果如下：

光鏡檢測的局限性

3.1 無法區分金屬顆粒的詳細分類

并非所有金屬顆粒都具有相同的危害性，例如，在對大量失效電池進行拆解分析后發現，相對于不銹鋼，銅的危害性更高。主要是因為銅離子更容易在負極析出，析出后的生長方式呈現枝晶狀，很容易刺穿隔膜。并且，銅的電導率比鐵高了一個數量級，一旦銅枝晶刺穿隔膜，極易導致電池內部短路，進一步導致電池過熱甚至起火。為了有效評估金屬顆粒的危害性，需要知道顆粒的詳細成分，而光學顯微鏡只能區分金屬和非金屬，但具體是哪類金屬則無從得知。

3.2 會造成金屬與非金屬的誤識別

根據光反射原理的分析，要求濾膜上的金屬顆粒要反光發亮。由于污染物顆粒在零件加工過程中暴露于液體、高溫和摩擦環境中，因此它們的表面會因為腐蝕等原因而不反光，呈現暗色。這些金屬顆粒在光學顯微鏡下，會被錯誤地分類為非金屬顆粒。在如下示例中，顯示了三個顆粒(鋅，鋼和鋁)，這些顆粒通過光學顯微鏡確認為非金屬。然而，掃描電鏡SEM+EDX 分析顯示了這些顆粒的金屬性質。

3.3 對小尺寸顆粒的統計準確性較低

光學顯微鏡的分辨率較低（相比電子顯微鏡要低 2-3 個數量級），其對小尺寸顆粒的測試準確性也較低。以下與 SEM+EDX 統計結果的比較，顯示了光學顯微鏡的錯誤分類有多嚴重。由汽車供應商提供的同一片濾膜，分別進行了光學顯微鏡的顆粒分析以及掃描電鏡SEM+EDX 的測試分析，并進行了比較。結果顯示，通過光學顯微鏡檢測的金屬顆粒數，不到實際金屬顆粒的 1/60。

3.4 無法分析顆粒的可能來源

鋰電池清潔度分析的意義，一方面是對清潔度的水平進行評估，另一方面，希望通過對金屬顆粒的分析，確定其產生原因，并回溯至對應的生產工序，進行針對性的管控，從而提升產線的清潔度水平。

由以上分析可知，光學顯微鏡提供的關于金屬顆粒形態和成分的信息有限，無法分析顆粒的可能來源，對清潔度水平的提升幫助有限。

因此，全自動鋰電池清潔度分析方案應運而生。Phenom ParticleX 以臺式掃描電鏡和能譜儀為硬件基礎，可以全自動對顆粒或雜質進行快速識別、分析和分類統計，為客戶的研發以及生產提供快速、準確和可靠的定量數據支持。小編將在下一篇為大家詳細講述。